[논문 리뷰] One-atom maser: Non-separable atom pairs

Berthold‐Georg Englert, Pavel Lougovski외 2명|ArXiv.org|2002. 09. 24.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 한 원자 마이저의 연속적인 원자 간 비고전적 상관관계를 분석함으로써, 캐비티를 통과한 두 원자 쌍의 축소 밀도 행렬을 연구한다. 레바인스타인–산페라 분해를 사용하여, 저-excited 및 저온 조건에서 두 원자 상태가 상당히 분리되지 않은 상태임을 입증하며, 이는 캐비티 필드가 첫 번째 원자의 통과를 기억함으로써 강한 양자 얽힘을 유도함을 시사한다.

ABSTRACT

When a one-atom maser is operated in the standard way -- excited, resonant two-level atoms traverse the resonator at random times -- the emerging atoms are entangled with the cavity field. As a consequence, the results of measurements on different atoms tend to be correlated. We show that truly non-classical correlations can be found between two successive atoms by studying the properties of the reduced state of such an atom pair. In particular, we calculate its degree of separability and find parameter ranges in which it is markedly less than unity.

연구 동기 및 목표

• 실험적 상관관계 데이터를 넘어서, 한 원자 마이저에서 두 연속적인 원자 간의 양자 상관관계를 체계적으로 분석하기 위해.
• 동일한 캐비티 필드와 순차적으로 상호작용하는 두 원자의 결합 상태에서 진정으로 비고전적이고 분리되지 않은 얽힘(entanglement)이 발생하는지 조사하기 위해.
• 비고전적 상관관계의 척도로 두 원자 상태의 분리도를 정량화하기 위해.
• 특히 저원자 유량 및 저열광자 수 조건에서 강한 얽힘을 최대화하는 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• 각 원자가 양자화된 캐비티 필드와 공명적으로 상호작용하는 제이نز–커밍스 역학을 기반으로 한 원자 마이저 모델링.
• 첫 번째 원자가 통과한 후 캐비티 필드의 기억 효과를 고려하여, 연속적으로 캐비티를 통과하는 두 원자의 결합 상태에 대한 축소 밀도 행렬 유도.
• 두 원자 상태가 분리 가능한 상태에 얼마나 가까운지를 수량화하는 분리도 𝒮를 계산하기 위해 레바인스타인–산페라 분해를 사용.
• 블로흐 벡터와 상관 매개변수를 포함하는 4파rameter 형태로 두 원자 밀도 행렬 표현하여, 분리도의 해석적 다루기 가능성을 확보.
• 캐비티 필드의 정 steady 상태 성질과 상호작용 강도에 기반해 분해 매개변수(p, Λ, 𝒮)를 해석적으로 구하기 위한 기존 분석 방법 적용.
• 자기장 강도 𝑁_ex 및 열광자 수 𝜈의 다양한 값에서 분리도 𝒮 및 |Δϱ|의 노름(trace norm)를 수치적으로 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 원자 마이저에서 연속적인 두 원자의 결합 상태에 진정으로 비고전적이고 분리되지 않은 상관관계를 식별할 수 있는가?
• RQ2 두 원자 상태의 분리도는 캐비티의 자극률 𝑁_ex 및 열광자 수 𝜈에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 어떤 매개변수 영역에서 한 원자 마이저의 연속적인 원자 간 비고전적 상관관계가 최대화되는가?
• RQ4 캐비티 필드가 첫 번째 원자의 상호작용을 기억함으로써 두 번째 원자의 얽힘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 열 노이즈와 높은 원자 유량은 한 원자 마이저에서 원자 간 얽힘을 얼마나 악화시키는가?

주요 결과

• 저자극률(𝑁_ex = 1) 및 열광자 수 0(𝜈 = 0) 조건에서 분리도 𝒮가 단지 1보다 크게 낮아, 강한 비고전적 상관관계를 나타낸다.
• 분리도 𝒮는 𝑁_ex 및 𝜈가 감소할수록 감소하며, 이는 저유량 및 저온 조건에서 두 원자 간의 얽힘이 최대화됨을 보여준다.
• 수치적 결과에 따르면, 1−𝒮의 그림에서 어두운 영역(비분리 상태를 나타냄)이 (𝑁_ex, 𝜈) = (1, 0)일 때 가장 넓으며, 𝑁_ex나 𝜈가 증가함에 따라 줄어든다.
• |Δϱ|의 노름은 첫 번째 원자가 캐비티 필드 상태에 미친 영향을 측정하는 척도이며, 이 값은 저 𝑁_ex 및 저 𝜈 조건에서 가장 크며, 이는 강한 얽힘과 상관관계가 있음을 시사한다.
• 열광자 수 𝜈 = 0.2가 존재할 경우 |Δϱ|와 비분리 영역이 모두 감소함을 확인하여, 열노이즈가 원자 간 상관관계를 떨어뜨림을 입증한다.
• 일부 매개변수 영역에서는 두 원자 상태가 여전히 비분리되며 𝒮 < 1임을 확인하여, 최적 조건에서 진정으로 비고전적 상관관계가 생성됨을 확인한다.